云南卡房尾礦庫固結(jié)試驗(yàn)與機(jī)理研究

楊 天 劉文連 王修峰 費(fèi)維水 李 俊

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650000；3.昆明理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，云南昆明650000）

尾礦庫是礦山工程的一個重要組成部分，隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)礦山開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，大量尾礦庫的建設(shè)，致使尾礦庫的穩(wěn)定性及安全問題越來越受到關(guān)注。尾礦顆粒的固結(jié)特性對尾礦壩體穩(wěn)定性有著很重要的影響，所以對其進(jìn)行研究很有必要。近年來，眾多學(xué)者通過對尾礦固結(jié)規(guī)律進(jìn)行研究，得出了一些重要結(jié)論。劉文連等［1］通過對某尾礦庫尾礦砂土靜力、動力基本特性的研究，建立了3 種固結(jié)作用靜力抗剪強(qiáng)度中權(quán)重分配的數(shù)學(xué)表達(dá)式；曹凈等［2-3］以馬家田尾礦壩的巖土勘察及試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對其淋濾及化學(xué)固結(jié)作用進(jìn)行了綜合分析評價，得出了滲透力及毛細(xì)力作用下的淋濾固結(jié)特征；費(fèi)維水［4］在太沙基固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了尾礦壩不同階段的固結(jié)應(yīng)力分析，認(rèn)為垂向滲流淤堵是導(dǎo)致尾礦庫滲透系數(shù)產(chǎn)生差異的原因；魏寧等［5］運(yùn)用廣義流變記憶理論建立了尾礦土體的非線性彈—黏彈本構(gòu)模型，并通過數(shù)值分析手段，研究了尾礦固結(jié)過程中孔隙水壓力及位移隨時間的變化規(guī)律及對尾礦壩的影響；顏學(xué)軍［6］在尾礦沉積固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了尾礦排放濃度、流量、流速等因素對尾礦壩穩(wěn)定性的影響規(guī)律。此外，不少學(xué)者也在尾礦滲流分析［7-9］、沉積規(guī)律［10-13］、固結(jié)特性及規(guī)律［14-18］等方面進(jìn)行了大量卓有成效的研究。

通過對已有研究成果的總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)對尾礦顆粒固結(jié)程度影響因素的試驗(yàn)研究較少。本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M尾粉砂及尾粉土的淋濾固結(jié)過程，并控制淋濾時間、淋濾次數(shù)、淋濾液成分、固結(jié)形式等變量，研究不同因素對尾礦固結(jié)程度的影響及變化規(guī)律。同時，通過對尾礦顆粒的微觀結(jié)構(gòu)觀測及水化學(xué)場變異分析來推演其化學(xué)固結(jié)過程。結(jié)合卡房尾礦庫特殊的“環(huán)形交替放礦”模式，對其多種固結(jié)機(jī)理進(jìn)行綜合分析，為尾礦顆粒固結(jié)特性的理論研究及實(shí)踐應(yīng)用提供有益參考。

1 淋濾固結(jié)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及試樣制備

本研究淋濾固結(jié)試驗(yàn)裝置［19］主要由土樣箱、噴淋設(shè)備、集液設(shè)備三部分。①土樣箱，規(guī)格為500 mm×500mm×600 mm（長×寬×高），由木板黏結(jié)而成，后端擋板底部設(shè)泄水縫，泄水縫內(nèi)側(cè)鋪碎石起到反濾層的作用，防止淋濾液將尾礦顆粒帶出，土樣箱內(nèi)側(cè)標(biāo)記紅線以便測量沉降；②噴淋設(shè)備，蠕動泵規(guī)格為3 L/min，為保證淋濾液可被均勻噴淋在尾礦樣表面，通過計算及調(diào)整，最終確定噴頭距土樣箱頂約30 cm；③集液設(shè)備，將泄水縫流出的淋濾液收集在集液桶內(nèi)進(jìn)行簡單過濾，通過蠕動泵將過濾后的濾液抽至噴淋設(shè)備進(jìn)行循環(huán)噴淋。試驗(yàn)裝置見圖1。

卡房尾礦庫淺部堆積物主要為尾粉砂（埋深0～13 m）及尾粉土（埋深0.3～33.2 m），其余地層堆積物主要為黏土，由于黏土堆積量較少，且短期內(nèi)淋濾固結(jié)效果不明顯，所以本研究選取尾粉砂及尾粉土作為試驗(yàn)對象。在卡房尾礦庫區(qū)多個具有代表性的取樣點(diǎn)分別取尾粉砂、土各250 kg，密封保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，剔除樣品中的雜質(zhì)后，裝入土樣箱內(nèi)。在密封條件下靜置數(shù)天，使重塑尾礦樣在自重應(yīng)力作用下先進(jìn)行一定程度的固結(jié)沉降，以排除自重固結(jié)作用對淋濾試驗(yàn)的影響。

1.2 試驗(yàn)方法

淋濾固結(jié)作用強(qiáng)度受多種因素控制，為研究淋濾時間及淋濾液成分對其的影響，設(shè)計了單一變量的對照試驗(yàn)。試驗(yàn)方案為：將土樣箱分成兩組，1～8號箱裝入尾粉砂試樣，9～16 號箱裝入尾粉土試樣。將1、2、9、10 號土樣箱用清水進(jìn)行淋濾，其余土樣箱用尾礦澄清液作為淋濾液，以研究淋濾液成分對固結(jié)作用的影響。1、3、9、11 號土樣箱每天控制淋濾時間8 min（約10 L 淋濾液），其余土樣箱為1 h（約75 L 淋濾液），以研究淋濾時間及淋濾液流量對固結(jié)作用的影響。同時對8 號、16 號箱不進(jìn)行處理，作為僅存在自重固結(jié)的對照組。通過對各土箱最終沉降量的觀測，來區(qū)分其淋濾固結(jié)作用的強(qiáng)弱，試驗(yàn)方案的變量對照設(shè)置如表1 所示。試驗(yàn)結(jié)束后在規(guī)定的時間段內(nèi)對尾粉砂及尾粉土分別進(jìn)行取樣，并依照相關(guān)規(guī)范［20-21］進(jìn)行直剪試驗(yàn)測定其C、φ 值，取樣時間見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)上述方案進(jìn)行試驗(yàn)后，通過觀測，各土箱的最終沉降量如表3所示。

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2.1 淋濾時間及濾液成分對淋濾固結(jié)的影響

針對卡房尾礦庫特殊的放礦形式，本研究通過反復(fù)淋濾，從而模擬出符合現(xiàn)場情況的干濕交替的氧化還原環(huán)境。為研究不同淋濾時間及淋濾液成分對淋濾固結(jié)作用的影響，對1、2、3、4、9、10、11、12 號土樣箱淋濾15 d 后的最終沉降量及力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測試，各土樣箱最終沉降量之間的關(guān)系如圖2 所示。直剪試驗(yàn)結(jié)果對比如圖3和圖4所示。

由于淋濾試驗(yàn)過程中表層尾礦容易受到擾動等干擾因素的影響，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)離散性較大，因此在不同土樣箱之間的橫向?qū)Ρ戎斜狙芯烤褂萌由疃茸钌畹?0 cm 處的尾礦試樣進(jìn)行對比分析。由圖2、圖3及圖4可以看出：

（1）尾礦的淋濾固結(jié)程度與淋濾時間呈正相關(guān)。淋濾時間為1 h 的尾礦試樣的最終沉降量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均明顯大于淋濾8 min 時的取值，尾粉砂黏聚力C 值1 h 組較8 min 組大68.3%左右，內(nèi)摩擦角φ 值大13.3%左右；尾粉土的C值1 h組較8 min組大4.1%左右，較φ 值大5.7%左右。說明尾礦淋濾時間越長，尾礦的沉降量越大，同時固結(jié)程度隨之升高，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也相應(yīng)提高。

（2）尾礦的淋濾固結(jié)程度與淋濾液的化學(xué)成分也存在一定的關(guān)系。相較于用水作為淋濾液，尾礦澄清液組尾礦的沉降量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均更大。使用尾礦澄清液進(jìn)行淋濾時，尾粉砂的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ 較使用水進(jìn)行淋濾時分別大74.7%、16.2%；尾粉土黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ分別大31.3%、31.2%。

（3）淋濾液成分對尾礦沉降量的影響遠(yuǎn)小于淋濾時間對其的影響，且兩者對尾粉砂的影響明顯大于尾粉土，這是由于尾粉砂的密實(shí)度更小，其淋濾固結(jié)效果短期內(nèi)更明顯。

2.2 自重固結(jié)與淋濾固結(jié)影響效果對比分析

為研究固結(jié)形式對固結(jié)程度的影響。此次試驗(yàn)單設(shè)8、16號箱，分別裝入尾粉砂和尾粉土，不進(jìn)行任何處理，作為自重固結(jié)作用對照組。將5、6、7、8號箱與13、14、15、16號箱進(jìn)行對比，淋濾固結(jié)與自重固結(jié)影響下的最終沉降量對比如圖5 所示，直剪指標(biāo)（黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ）值對比見圖6。

對比取樣時間均為120 d 的7、8、15、16 號土箱可以看出：①僅自重固結(jié)作用下的最終沉降量遠(yuǎn)小于淋濾固結(jié)作用下的沉降量，尾粉砂淋濾固結(jié)的沉降量較自重固結(jié)大近403%，尾粉土沉降量大506%左右；②淋濾固結(jié)作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（40 cm 深度處指標(biāo)）比自重固結(jié)作用下大，尾粉砂在淋濾固結(jié)作用下的C、φ 值較自重固結(jié)分別大60%、19.1%，尾粉土的C、φ 值分別大42.7%、5.5%，說明自重固結(jié)對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響遠(yuǎn)小于淋濾固結(jié)；③5、6、7號土箱最終沉降量分別為66.5 mm、72 mm、75.5 mm，13、14、15 號土箱最終沉降量分別為41.5mm、46.5 mm、48.5 mm，說明隨著淋濾時間的增長，最終沉降量也逐漸增大，兩者呈正相關(guān)，但增長速率逐漸減小。

2.3 單次淋濾固結(jié)過程分析

為研究尾礦的淋濾固結(jié)機(jī)理，分別選取使用清水作為淋濾液的2 號及10 號土樣箱進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)采集，以排除淋濾液中化學(xué)成分對固結(jié)的影響，繪制了沉降量與淋濾時間的關(guān)系曲線圖，如圖7所示。由圖7 可知：在一個淋濾過程中，尾粉砂、尾粉土的沉降差均呈現(xiàn)先回彈后沉降的趨勢，回彈量一般穩(wěn)定在1～2 mm，尾粉砂單日最大沉降量約8 mm，尾粉土約4 mm，回彈量與沉降量峰值均出現(xiàn)在第1 d，之后隨著淋濾次數(shù)的增長，單次回彈量與沉降量均逐漸減小，并逐步趨于穩(wěn)定。

2.4 尾礦顆粒微觀結(jié)構(gòu)觀測

本研究采用SEM 掃描電鏡對不同埋深的尾礦顆粒進(jìn)行了5 μm 微觀結(jié)構(gòu)觀測，結(jié)果見圖8。分析圖8可知：尾礦顆粒及其整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出條片狀和羽毛狀，粗顆粒間存在較多大孔隙且較為分散，部分孔隙被細(xì)顆粒所填充，顆粒結(jié)構(gòu)間多存在貫通孔隙與喉道，說明尾礦樣具有較強(qiáng)的滲透性，同時可以看出有較多的絮狀膠結(jié)物附著在顆粒表面或粘結(jié)于顆粒之間，形成團(tuán)塊結(jié)構(gòu)。

3 卡房尾礦砂土固結(jié)作用機(jī)理綜合分析

卡房尾礦庫為平地型環(huán)形堆壩尾礦庫，采用上游法筑壩，尾礦漿主要沿尾礦庫四周的堆積壩壩頂排放，為“環(huán)形交替放礦”模式。獨(dú)特的放礦形式導(dǎo)致庫區(qū)尾礦干灘面內(nèi)會頻繁且周期性地形成非穩(wěn)定滲流，致使尾礦頻繁處于飽和—非飽和的交替循環(huán)狀態(tài)中。結(jié)合其礦液排放方式及堆積特點(diǎn)，將卡房尾礦壩進(jìn)行了分區(qū)（圖9），Ⅰ區(qū)為干灘面與浸潤線之間區(qū)域，Ⅱ區(qū)為坡面與浸潤線之間區(qū)域，Ⅲ區(qū)為浸潤線以下的區(qū)域。

3.1 淋濾固結(jié)作用

結(jié)合卡房尾礦庫放礦形式及淋濾固結(jié)試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論，對尾礦的淋濾固結(jié)機(jī)理進(jìn)行以下分析：當(dāng)尾礦處于非飽和狀態(tài)時，顆粒之間存在水膜，水膜的毛細(xì)力使顆粒相互靠近，從而趨于密實(shí)；排放尾礦液時，浸潤線不斷提高，尾礦逐步轉(zhuǎn)向飽和狀態(tài)，毛細(xì)力逐漸消失，尾礦顆粒隨之發(fā)生一定膨脹，整體會顯示出一定回彈；隨著飽和區(qū)逐漸擴(kuò)大，形成了穩(wěn)定的滲流場，顆粒在滲流力的作用下開始發(fā)生重排列，部分較小顆粒在滲流場的裹挾下進(jìn)入了下層尾礦中；停止排放后，尾礦又逐漸轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，顆粒間又重新形成水膜，毛細(xì)力開始發(fā)揮作用，最終在顆粒自重應(yīng)力以及毛細(xì)力的共同作用下，使得尾礦變得密實(shí)（圖10）［3］。淋濾固結(jié)作用會使淺部尾礦體出現(xiàn)較為明顯的沉降，增大密實(shí)度，提高內(nèi)摩擦角φ［1］。

3.2 化學(xué)固結(jié)作用

卡房尾礦庫壩頂管道排出的尾礦液經(jīng)過干灘面的流淌，其中部分尾礦液匯集在庫區(qū)，另一部分滲入到干灘面以下的Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)會有極少的尾礦液滲入，最終，庫區(qū)內(nèi)的尾礦液通過Ⅲ區(qū)后經(jīng)壩足以及排水系統(tǒng)排出。不同區(qū)域的水化學(xué)分析結(jié)果見表4。由表4 可知：從庫區(qū)到壩體外滲口及坡腳排水口，尾礦水的pH 值從6.1增加到6.9。排水口的尾礦水中各離子含量較庫區(qū)變化不大，這是由于排水口的尾礦水是經(jīng)庫區(qū)排水系統(tǒng)排出，并未通過尾礦壩內(nèi)的滲流場，表明尾礦液化學(xué)元素含量的變化是由于其在滲流場中發(fā)生了多種化學(xué)反應(yīng)所致。

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卡房尾礦液的流動方式使Ⅰ區(qū)形成了干濕頻繁交替環(huán)境，該區(qū)尾礦長期處于飽和—非飽和的氧化還原交替狀態(tài)。當(dāng)尾礦液滲入時，處于游離態(tài)的等離子隨著尾礦液一同滲入該區(qū)，通過大量化學(xué)反應(yīng)最終形成了CaSO4·2H2O（石膏）、MgSO4·H2O 和CaCO3等硬化結(jié)晶物，包裹在尾礦顆粒表面并填充尾礦顆粒間的孔隙，生成過程可表示為

同時，生產(chǎn)過程中會有大量的H2S 和SO2等硫化物排放，這些硫化物會隨著尾礦液下滲并使下層尾礦處于酸性環(huán)境中。在酸性條件下，F(xiàn)e3+、Al3+濃度增加，發(fā)生反應(yīng)使得Fe（OH）3、Al（OH）3等膠體增多并逐漸沉淀而固化。通過多種化學(xué)反應(yīng)而形成的硬殼體物質(zhì)及膠團(tuán)物質(zhì)會附著在尾礦上或填充在空隙中，形成尾礦團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，使尾礦的黏聚力C 逐漸增加，抗剪強(qiáng)度提高，從而使得尾粉砂、尾粉土具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

對3種固結(jié)作用進(jìn)行分區(qū)分析可知：Ⅰ區(qū)處于飽和—非飽和交替區(qū)域，在其淺部區(qū)域，淋濾固結(jié)作用最顯著，化學(xué)固結(jié)次之，自重固結(jié)影響較小，隨著深度不斷增大，化學(xué)固結(jié)作用效果會不斷加強(qiáng)，逐漸占據(jù)主導(dǎo)；Ⅱ區(qū)的尾礦同樣也經(jīng)歷過長期的化學(xué)硬化膠結(jié)作用，但隨著尾礦壩逐漸堆積升高，尾礦液無法繼續(xù)淋濾，長期處于非飽和狀態(tài)，因此該區(qū)長期處于較穩(wěn)定的膠結(jié)狀態(tài)；Ⅲ區(qū)長期處于飽和狀態(tài)，該區(qū)淋濾固結(jié)作用消失，化學(xué)固結(jié)作用也很微弱。因此，Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)的主要固結(jié)形式為自重固結(jié)。

4 結(jié) 論

（1）尾礦的淋濾固結(jié)程度與淋濾時間呈正相關(guān)。淋濾時間越長，沉降量越大，尾礦力學(xué)指標(biāo)越好，固結(jié)程度越強(qiáng)。淋濾固結(jié)程度與淋濾液的化學(xué)成分也存在一定的關(guān)系，使用尾礦澄清液比清水固結(jié)程度更高，黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ 取值也隨之提高。在單次淋濾固結(jié)過程中，尾粉砂、尾粉土的沉降差均呈現(xiàn)先回彈后沉降的趨勢，回彈量與沉降量峰值均出現(xiàn)在第1 d，隨著淋濾次數(shù)的增加，單次回彈量與沉降量均逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。

（3）對卡房尾礦砂土固結(jié)機(jī)理的分析認(rèn)為：卡房尾礦庫存在自重固結(jié)、淋濾固結(jié)、化學(xué)固結(jié)等多種固結(jié)形式，尾礦砂土的固結(jié)效果和力學(xué)指標(biāo)的提高是3種形式共同作用的結(jié)果。淋濾固結(jié)及化學(xué)固結(jié)作用主要發(fā)生在飽和—非飽和的交替環(huán)境下，淋濾固結(jié)對尾礦內(nèi)摩擦角φ 影響較大，化學(xué)固結(jié)對黏聚力C 影響較大，自重固結(jié)相對于二者影響較小。

（4）對尾礦固結(jié)作用進(jìn)行分區(qū)研究，認(rèn)為Ⅰ區(qū)長期處于飽和—非飽和的氧化還原交替狀態(tài)，Ⅱ區(qū)尾礦長期處于非飽和的氧化狀態(tài)，Ⅲ區(qū)尾礦長期處于飽和的還原狀態(tài)。淋濾及化學(xué)固結(jié)作用主要發(fā)生在Ⅰ區(qū)，淺部淋濾固結(jié)作用較強(qiáng)，深部化學(xué)固結(jié)作用較強(qiáng)；Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)淋濾及化學(xué)固結(jié)作用十分微弱，主要固結(jié)形式為自重固結(jié)。